СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КИНЕТИКИ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПРОТОЧНОМ МИКРОКАЛОРИМЕТРЕ Российский патент 2002 года по МПК G01N25/48 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в физической химии, биологии, биохимии, а также технологии с применением биохимических процессов, например спиртовом производстве.

Известен ряд способов измерения скорости химических и биологических реакций. Наиболее близким является способ определения кинетики физико-химических процессов, заключающийся в подаче с известным расходом реагентов в реакционную зону проточной ячейки, измерении с тепломеров, установленных вдоль реакционной зоны, величины термоЭДС, соответствующей полному тепловому эффекту реакции и дополнительному измерению термоЭДС с части тепломеров, расположенных на участке проточной ячейки от места ввода и смешения реагентов до точки, расположенной в средней части ячейки и определении кинетики процесса с учетом времени протекания части процесса (А. С. 851229, G 01 N 25/48. Д. А. Тайц, В. Г. Карпов, Ю. И. Яновский и В. П. Белоусов).

Данный метод малопригоден для исследования микробиологических процессов по следующим причинам.

Продолжительность протекания микробиологических процессов может составлять 72 часа и более, что делает невозможным прямое измерение полного количества выделившейся теплоты в проточной ячейке ограниченной длины.

В ходе микробиологических реакций выделяется значительное количество газообразных продуктов (СО₂, метан и т. д), накопление которых в объеме ячейки может привести к значительному снижению точности измерения.

Многие микробиологические процессы требуют для своего протекания интенсивной аэрации, которая не может быть реализована в прототипе. Также затруднено введение новых компонентов на разных стадиях реакции, так как для этого требуется внесение изменений в конструкцию микрокалориметра.

Задачей изобретения является устранение этих недостатков, упрощение измерений, повышение их точности и обеспечение возможности определения скорости протекания процесса в любой момент времени.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения кинетики микробиологических и физико-химических процессов в проточном микрокалориметре, заключающемся в измерении с тепломеров, установленных по всей длине измерительной ячейки, термоЭДС, соответствующей количеству тепла, выделившегося в ячейке, при этом анализируемый процесс протекает во внешнем реакторе, где созданы условия, требуемые для проведения анализируемой микробиологической, биохимической или физико-химической реакции, из которого непрерывно отбирается анализируемая среда - проба, которую с постоянной скоростью прокачивают через ячейку микрокалориметра так, что в ячейке протекает часть процесса, соответствующая времени пребывания пробы в ячейке, и определение скорости реакции в соответствующий момент времени идет с учетом скорости протекания пробы по следующей формуле:

где V - скорость протекания реакции, определяемая как скорость образования определенного конечного продукта, моль/с;
U - термоЭДС, соответствующая количеству тепла, выделившегося в ходе части анализируемого процесса при протекании данной пробы через ячейку микрокалориметра, мВ;
υ - скорость протекания пробы по ячейке, м/с;
l - длина ячейки микрокалориметра, м;
k - коэффициент, связывающий количество образовавшегося в ходе реакции определенного конечного продукта, с количеством выделившейся при этом теплоты, он определяется как величина термоЭДС, соответствующая количеству тепла, выделяющегося в ходе образования 1 моль продукта реакции, мВ/моль.

Способ осуществляется следующим образом.

Анализируемый процесс протекает во внешнем реакторе, где могут быть созданы необходимые условия и имеется возможность изменения параметров протекания процесса на любой его стадии путем изменения температуры, рН, степени аэрации, внесения ингибирующих и катализирующих добавок и т. д. Из реактора непрерывно отбирается проба, которую прокачивают через измерительную ячейку микрокалориметра так, что обеспечивается постоянная известная скорость протекания пробы по ячейке. Прокачивание осуществляется при помощи насоса, установленного непосредственно за микрокалориметром и работающего на всасывание, при этом длина трубопроводов, связывающих реактор и микрокалориметр, минимальна, что обеспечивает адекватность измерений. При прохождении пробы по ячейке в ней протекает часть анализируемого процесса, соответствующая времени пребывания пробы в ячейке, что сопровождается выделением определенного количества тепла. Это количество тепла измеряется при помощи тепломеров, установленных по всей длине ячейки.

В соответствии с законами термодинамики, полное количество тепла, выделившегося в результате реакции, соответствует полному количеству образовавшегося определенного конечного продукта реакции, а в случае частичного протекания реакции количество тепла пропорционально количеству образовавшегося за этот промежуток времени определенного конечного продукта. Количество тепла, выделившегося во время протекания данной пробы, пропорционально количеству определенного конечного продукта, образовавшегося в пробе за промежуток времени, в течение которого она находилась в измерительной ячейке. Количество продукта, образовавшегося в ячейке, пропорционально интенсивности протекания реакции и времени, в течение которого проба находится в ячейке. Так как время пребывания пробы в ячейке однозначно определяется геометрическими размерами ячейки и скоростью протекания пробы, то количество выделившегося тепла пропорционально интенсивности анализируемой реакции на данной стадии.

Измерив термоЭДС, соответствующее количеству выделившегося тепла, и зная скорость протекания пробы, можно в любой момент времени определить скорость протекания анализируемой реакции.

На чертеже схематически изображена установка для реализации предлагаемого способа.

Смесь из реактора 1 непрерывно подается при помощи насоса 2 в измерительную ячейку проточного микрокалориметра 3, вдоль которого установлены тепломеры 4. К тепломерам подключен измерительный прибор 5, при помощи которого определяется термоЭДС.

Изобретение относится к измерительной технике. Анализируемый процесс вынесен за пределы микрокалориметра, а для определения кинетики из внешнего реактора непрерывно отбирается проба анализируемой среды, прокачиваемая через измерительную ячейку микрокалориметра с фиксированной скоростью, и определение скорости протекания процесса производства по величине тепла, выделившегося в ячейке при протекании части реакции с учетом скорости протекания пробы по ячейке. Техническим результатом данного изобретения является обеспечение возможности определения скорости протекания микробиологических процессов с использованием микрокалориметра. 1 ил.

Способ определения кинетики микробиологических и физико-химических процессов в проточном микрокалориметре, заключающийся в измерении термоЭДС, соответствующей количеству тепла, выделившегося в ячейке, посредством тепломеров, установленных по всей длине измерительной ячейки, отличающийся тем, что анализируемый процесс протекает во внешнем реакторе, где созданы условия для проведения микробиологической, биохимической или физико-химической реакции, при этом из реактора непрерывно отбирают пробу, которую с постоянной скоростью прокачивают через ячейку микрокалориметра так, что в ячейке протекает часть анализируемого процесса, и определяют скорость реакции с учетом скорости протекания пробы по следующей формуле:

где V - скорость протекания реакции, определяемая как скорость образования определенного конечного продукта, моль/с;
U - термоЭДС, соответствующая количеству тепла, выделившегося в ходе части анализируемого процесса при протекании данной пробы через ячейку микрокалориметра, мВ;
v - скорость протекания пробы по ячейке, м/с;
l - длина ячейки микрокалориметра, м;
k - коэффициент, связывающий количество образовавшегося в ходе реакции определенного конечного продукта с количеством выделившейся при этом теплоты.